Доктор биологических наук Е. П. Харченко, М. Н. Клименко

Уровни пластичности

В начале нынешнего столетия исследователи мозга отказались от традиционных представлений о структурной стабильности мозга взрослого человека и невозможности образования в нём новых нейронов. Стало ясно, что пластичность взрослого мозга в ограниченной степени использует и процессы нейроногенеза.

Говоря о пластичности мозга, чаще всего подразумевают его способность изменяться под влиянием обучения или повреждения. Механизмы, ответственные за пластичность, различны, и наиболее совершенное её проявление при повреждении мозга - регенерация. Мозг представляет собой чрезвычайно сложную сеть нейронов, которые контактируют друг с другом посредством специальных образований - синапсов. Поэтому мы можем выделить два уровня пластичности: макро- и микроуровень. Макроуровень связан с изменением сетевой структуры мозга, обеспечивающей сообщение между полушариями и между различными областями в пределах каждого полушария. На микроуровне происходят молекулярные изменения в самих нейронах и в синапсах. На том и другом уровне пластичность мозга может проявляться как быстро, так и медленно. В данной статье речь пойдёт в основном о пластичности на макроуровне и о перспективах исследований регенерации мозга.

Существуют три простых сценария пластичности мозга. При первом происходит повреждение самого мозга: например, инсульт моторной коры, в результате которого мышцы туловища и конечностей лишаются контроля со стороны коры и оказываются парализованными. Второй сценарий противоположен первому: мозг цел, но повреждён орган или отдел нервной системы на периферии: сенсорный орган - ухо или глаз, спинной мозг, ампутирована конечность. А поскольку при этом в соответствующие отделы мозга перестаёт поступать информация, эти отделы становятся „безработными“, они функционально не задействованы. В том и другом сценарии мозг реорганизуется, пытаясь восполнить функцию повреждённых областей с помощью неповреждённых либо вовлечь „безработные“ области в обслуживание других функций. Что касается третьего сценария, то он отличен от первых двух и связан с психическими расстройствами, вызванными различными факторами.

Немного анатомии

На рис. 1 представлена упрощённая схема расположения на наружной коре левого полушария полей, описанных и пронумерованных в порядке их изучения немецким анатомом Корбинианом Бродманом.

Каждое поле Бродмана характеризуется особым составом нейронов, их расположением (нейроны коры образуют слои) и связями между ними. К примеру, поля сенсорной коры, в которых происходит первичная переработка информации от сенсорных органов, резко отличаются по своей архитектуре от первичной моторной коры, ответственной за формирование команд для произвольных движений мышц. В первичной моторной коре преобладают нейроны, по форме напоминающие пирамиды, а сенсорная кора представлена преимущественно нейронами, форма тел которых напоминает зерна, или гранулы, почему их и называют гранулярными.

Обычно мозг подразделяют на передний и задний (рис. 1). Области коры, прилегающие в заднем мозге к первичным сенсорным полям, называют ассоциативными зонами. Они перерабатывают информацию, поступающую от первичных сенсорных полей. Чем сильнее удалена от них ассоциативная зона, тем больше она способна интегрировать информацию от разных областей мозга. Наивысшая интегративная способность в заднем мозге свойственна ассоциативной зоне в теменной доле (на рис. 1 не окрашена).

В переднем мозге к моторной коре прилегает премоторная, где находятся дополнительные центры регуляции движения. На лобном полюсе расположена другая обширная ассоциативная зона - префронтальная кора. У приматов это наиболее развитая часть мозга, ответственная за самые сложные психические процессы. Именно в ассоциативных зонах лобной, теменной и височной долей у взрослых обезьян выявлено включение новых гранулярных нейронов с непродолжительным временем жизни - до двух недель. Данное явление объясняют участием этих зон в процессах обучения и памяти.

В пределах каждого полушария близлежащие и отдалённые области взаимодействуют между собой, но сенсорные области в пределах полушария не сообщаются друг с другом напрямую. Между собой связаны гомотопические, то есть симметричные, области разных полушарий. Полушария связаны также с нижележащими, эволюционно более древними подкорковыми областями мозга.

Резервы мозга

Впечатляющие свидетельства пластичности мозга нам доставляет неврология, особенно в последние годы, с появлением визуальных методов исследования мозга: компьютерной, магнитно-резонансной и позитронно-эмиссионной томографии, магнитоэнцефалографии. Полученные с их помощью изображения мозга позволили убедиться, что в некоторых случаях человек способен работать и учиться, быть социально и биологически полноценным, даже утратив весьма значительную часть мозга.

Пожалуй, наиболее парадоксальный пример пластичности мозга - случай гидроцефалии у математика, приведшей к утрате почти 95% коры и не повлиявшей на его высокие интеллектуальные способности. Журнал „Science“ опубликовал по этому поводу статью с ироничным названием „Действительно ли нам нужен мозг?“.

Однако чаще значительное повреждение мозга ведёт к глубокой пожизненной инвалидности - его способность восстанавливать утраченные функции не беспредельна. Распространённые причины поражения мозга у взрослых - нарушения мозгового кровообращения (в наиболее тяжёлом проявлении - инсульт), реже - травмы и опухоли мозга, инфекции и интоксикации. У детей нередки случаи нарушения развития мозга, связанные как с генетическими факторами, так и с патологией внутриутробного развития.

Среди факторов, определяющих восстановительные способности мозга, прежде всего следует выделить возраст пациента. В отличие от взрослых, у детей после удалений одного из полушарий другое полушарие компенсирует функции удалённого, в том числе и языковые. (Хорошо известно, что у взрослых людей утрата функций одного из полушарий сопровождается нарушениями речи.) Не у всех детей компенсация происходит одинаково быстро и полно, однако треть детей в возрасте 1 года с парезом рук и ног к 7 годам избавляются от нарушений двигательной активности. До 90% детей с неврологическими нарушениями в неонатальном периоде впоследствии развиваются нормально. Следовательно, незрелый мозг лучше справляется с повреждениями.

Второй фактор - длительность воздействия повреждающего агента. Медленно растущая опухоль деформирует ближайшие к ней отделы мозга, но может достигать внушительных размеров, не нарушая функций мозга: в нём успевают включиться компенсаторные механизмы. Однако острое нарушение такого же масштаба чаще всего бывает несовместимо с жизнью.

Третий фактор - локализация повреждения мозга. Небольшое по размеру, повреждение может затронуть область плотного скопления нервных волокон, идущих к различным отделам организма, и стать причиной тяжкого недуга. К примеру, через небольшие участки мозга, именуемые внутренними капсулами (их две, по одной в каждом полушарии), от мотонейронов коры мозга проходят волокна так называемого пирамидного тракта (рис. 2), идущего в спинной мозг и передающего команды для всех мышц туловища и конечностей. Так вот, кровоизлияние в области внутренней капсулы может привести к параличу мышц всей половины тела.

Четвёртый фактор - обширность поражения. В целом чем больше очаг поражения, тем больше выпадений функций мозга. А поскольку основу структурной организации мозга составляет сеть из нейронов, выпадение одного участка сети может затронуть работу других, удалённых участков. Вот почему нарушения речи нередко отмечаются при поражении областей мозга, расположенных далеко от специализированных областей речи, например центра Брока (поля 44–45 на рис. 1).

Наконец, помимо этих четырёх факторов, важны индивидуальные вариации в анатомических и функциональных связях мозга.

Как реорганизуется кора

Мы уже говорили о том, что функциональная специализация разных областей коры мозга определяется их архитектурой. Эта сложившаяся в эволюции специализация служит одним из барьеров для проявления пластичности мозга. Например, при повреждении первичной моторной коры у взрослого человека её функции не могут взять на себя сенсорные области, расположенные с ней по соседству, но прилежащая к ней премоторная зона того же полушария - может.

У правшей при нарушении в левом полушарии центра Брока, связанного с речью, активируются не только прилежащие к нему области, но и гомотопическая центру Брока область в правом полушарии. Однако такой сдвиг функций из одного полушария в другое не проходит бесследно: перегрузка участка коры, помогающего повреждённому участку, приводит к ухудшению выполнения его собственных задач. В описанном случае передача речевых функций правому полушарию сопровождается ослаблением у пациента пространственно-зрительного внимания - например, такой человек может частично игнорировать (не воспринимать) левую часть пространства.

Музыка мозга. Правила гармоничного развития Прен Анет

Пластичность мозга

Пластичность мозга

Так почему же мы можем играть на собственном мозге, как на музыкальном инструменте? Главное – это пластичность мозга, его способность изменяться.

До начала 1990-х большинство исследователей считали, что все нервные клетки человек получает при рождении и что после двадцати пяти лет они начинают отмирать, постепенно ослабляя прочность и сложность нервных связей.

Но сегодня благодаря передовым технологиям мнение ученых по этому вопросу радикально изменилось. Теперь известно, что человеческий мозг содержит около сотни миллиардов нейронов, соединенных между собой через так называемые синапсы, и что на протяжении всей нашей жизни каждый день в одной только зоне памяти создается не менее двухсот новых нервных клеток. Иными словами, наш мозг пребывает в состоянии перманентных изменений.

Наш мозг находится в состоянии перманентных изменений.

Кроме того, еще несколько лет назад исследователи полагали, что за речь, чувства, зрение, равновесие и т. д. отвечают конкретные центры. Сегодня ученые пришли к выводу, что это не совсем так. Базовые функции, управляющие нашей моторной активностью и обратной сенсорной связью, действительно локализованы в конкретных зонах мозга, однако сложные когнитивные функции распределены по разным его участкам. Все восемь клавиш, представленных в этой книге, соотносятся с различными зонами мозга, однако ни одна клавиша не ограничена какой-то одной его частью.

Например, функция речи – результат командной деятельности ряда участков мозга, способных сотрудничать друг с другом разными способами. Именно этим объясняется, почему каждый человек использует свои уникальные речевые конструкции и почему структура нашей речи меняется в зависимости от окружения.

Кроме того, мозг постоянно реорганизуется. Исследователи обнаружили, что ослабленные мозговые функции можно восстановить с помощью других участков мозга. Психиатр Норман Дойдж считает одним из величайших открытий XX века тот факт, что практическое и теоретическое научение и действие способны «включать и выключать наши гены, формируя анатомию нашего мозга и наше поведение». А невролог Вилаянур Субраманиан Рамачандран называет сделанные в последние годы открытия в области мозговой деятельности пятой революцией.

Практическое и теоретическое научение и действие способны включать и выключать наши гены.

Однако надо признать: сегодня ученые стоят лишь на пороге познания бесчисленных чудес человеческого мозга. И прочтя эту книгу, вы придете к пониманию лишь малой, хоть и чрезвычайно важной, доли этих чудес.

В этой книге говорится и о биологических, и о ментальных составляющих мозга, но в основном все-таки о последних. Биологическая часть касается химии и физики мозга, нейромедиаторов, таких как серотонин и дофамин, а также пластичности нейронов. Ментальная составляющая касается нашей способности думать и действовать, а также познания в широком смысле этого слова.

Здесь читатель может задаться вопросом: «Но я и так немало знаю о мозге – что мне еще нужно знать?» Поверьте, что вас ждет масса сюрпризов, поскольку сегодня многие укоренившиеся представления о мозге безнадежно устарели. Например, раньше ученые считали, что чем глубже они проникнут в мозг, тем дальше смогут продвинуться в познании эволюции человека, и что «цивилизованная» кора головного мозга отвечает за базовые и примитивные функции. Так вот: вам придется пересмотреть эту популярную теорию. Наш мозг не состоит из эволюционных слоев: его вообще нельзя считать модульной конструкцией. Он функционирует скорее как сеть, он гораздо сложнее и интереснее, чем мы можем себе представить.

А другие наши читатели могут заявить: «Мы таковы, каковы есть, и все эти разговоры о позитивных изменениях не что иное, как очередные пустые обещания». Но вы забываете о пластичности – важнейшем качестве мозга: он податлив и постоянно меняется, адаптируясь к окружающей среде. Сегодня вы используете при совершении того или иного действия одни нервные клетки, а через пару недель, выполняя то же самое, уже иные. Например, после того как вы прочтете эту книгу, ваш мозг уже никогда не будет таким, как прежде.

Человек развивает свой мозг постоянно, когда совершает очередной выбор или учится чему-то новому в повседневной жизни. Наглядным примером пластичности мозга могут послужить знаменитые лондонские таксисты. От двух до четырех лет они готовятся и тренируются: заучивают названия улиц, маршруты и достопримечательности в радиусе десяти километров от центра города. Исследования показали, что в результате этого их правый гиппокамп увеличивается – по сравнению с представителями других профессий, – а пространственная память заметно улучшается. И чем больше таксист, колеся по городу, заучивает новых сведений, тем больше становится эта часть мозга. Подумайте: а какие участки мозга вы тренируете и развиваете в повседневной жизни? Какие из них натренированы лучше других?

Некоторые считают, что перемены вообще не для них. Они рассуждают так: «Я уже слишком стар, а старого пса новым трюкам не обучишь». Однако сегодня уже доказано, что возбужденные нейроны вырабатывают на 25 % больше нервных связей, увеличиваются в размерах и улучшают кровоснабжение мозга, причем происходит это в любом возрасте. Человек может измениться независимо от того, сколько ему лет. Это не обязательно произойдет в один миг, хотя и такое возможно. Одно новое знание, немного соответствующей настройки и доработки – и то, что недавно казалось непреодолимым, вдруг видится совершенно иначе, и вы обнаруживаете, что действуете уже совсем по-другому.

Возбужденные нейроны вырабатывают на 25 % больше нервных связей.

В жизни каждого человека найдутся примеры перемен обоих видов – как в результате целенаправленного практического обучения, так и в результате резких скачков в понимании, которые буквально в одночасье меняют наше ви дение себя, окружающего мира и доступных нам возможностей.